ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta strojní Ústav energetiky
Praha 2016
Absorpční oběh pro kombinovanou výrobu elektřiny a chladu Absorption Combined Power and Cooling Cycle
Bakalářská práce
Studijní program: Teoretický základ strojního inženýrství Studijní obor: Bez oboru
Vedoucí práce: Ing. Václav Novotný
Dávid Juraj Szücs
1 Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou prací s názvem Absorpční oběh pro kombinovanou výrobu elektřiny a chladu vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v seznamu.
Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 zákona č.
121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Praze dne: ………
Podpis: ……….
2 Anotační list
Jméno autora Dávid Juraj Szücs
Název BP Absorpční oběh pro kombinovanou výrobu elektřiny a chladu Anglický název: Absorption Combined Power and Cooling cycle
Akademický rok: 2015/2016
Ústav/Odbor: Ústav energetiky/TZSI Vedoucí BP/DP: Ing. Václav Novotný Konzultant: Ing. Jakub Maščuch, Ph.D.
Bibliografické údaje: Počet stran: 47 Počet obrázků: 24 Počet tabulek: 3 Počet příloh: 3
Klíčová slova: Využití odpadního tepla, kogenerace, trigenerace, Libr, absorpční chlazení, kombinovaná výroba chladu a elektřiny
Keyword: Waste heat recovery, cogeneration, trigeneration, CCHP, CCP, Absorption cycles
Anotace: V současné době tvoří zvyšování účinnosti energetických zařízení důležitou oblast výzkumu pro různé skupiny v průmyslu, obchodu a politice. V oblastech s omezeným množstvím nerostných surovin představuje využití odpadního a nízkopotenciálního tepla alternativní zdroj energie. Tepelně aktivované chladicí systémy užívají nízkoteplotního zdroje tepla k vytváření chladu. Tato bakalářská práce představuje rešerši absorpčních cyklů jako hlavní kategorie tepelně aktivovaných systémů, opisuje možnost využití absorpčních cyklů také ke kombinované výrobě chladu a elektřiny. Goswami a další cykly využívající zeotropickou směs jsou zde popsány a porovnány s Kalinovým a ORC oběhem. Nakonec je prezentován model nového absorpčního cyklu kombinované výroby elektřiny a chladu využívající směsi LiBr – H2O. Je vytvořen výpočetní model cyklu a provedena analýza účinnosti, která představuje potenciál cyklu s využitím nízkoteplotního zdroje energie.
Abstract: In recent years, energy efficiency amelioration study has become a main field of interest of many groups concerned, such as economists, engineers, policy makers etc. Exploitation of low-grade heat and waste heat presents an alternative source of energy for regions with insufficient distribution of fossil fuels. Thermally activated chillers are environment- friendly devices that use heat in order to obtain a cooling affect. This work presents a theoretical research of absorption cycles as a predominant category of thermally activated chillers, describes the absorption processes as not only a cooling technology but also a method for combined cooling and power generation. CCP Goswami and other absorption cycles using zeotropic mixtures are discussed and compared with Kalina and ORC cycle. A model of a novel configuration of absorption combined cooling and power cycle using a zeotropic mixture of LiBr – H2O is introduced in this work. An overall computational model with energy and exergy analysis has been carried out showing a fair potential to exploit low and medium-grade energy sources.
3 Obsah
1. Úvod ... 4
2. Klasifikace možných alternativních zdrojů tepla v evropských podmínkách ... 5
3. Využití nízko- a středně- teplotních zdrojů k výrobě elektrické energie ... 6
4. Výroba chladu ... 10
4.1. Konvenční způsoby výroby chladícího výkonu ... 10
4.2. Termálně aktivované chlazení ... 11
4.2.1. Sorpční chlazení ... 11
4.2.2. Chlazení pomocí desikantů („dessicant cooling“) ... 16
4.2.3. Ejektorové chlazení ... 17
4.3. Ostatní metody chlazení ... 19
5. Kombinovaná výroba chladu a elektřiny („CCP“) ... 19
5.1. Systém se dvěma oddělenými termodynamickými cykly ... 19
5.2. Systém s jedním termodynamickým cyklem skládající se z jediné větve ... 20
5.3. Systém s jedním složeným termodynamickým cyklem skládajícím se ze dvou větví ... 22
6. Modelová úloha výpočtu kombinované výroby chladu a elektřiny ... 25
6.1. Určující parametry oběhu ... 27
6.2. Desorbér ... 29
6.3. Větev k výrobě elektrické energie ... 31
6.3.1. Expandér (Turbína) ... 32
6.4. Chladící větev ... 32
6.4.1. Kondenzátor ... 32
6.4.2. Expanzní ventil ... 33
6.4.3. Výparník ... 33
6.5. Absorbér ... 34
6.6. Čerpadlo ... 35
6.7. Rekuperátor ... 35
6.8. Hodnocení účinnosti cyklu ... 36
6.9. Výsledky ... 37
7. Závěr ... 39
Seznam použité literatury ... 41
Seznam příloh: ... 47
4 1. Úvod
Energetické zabezpečení společnosti je existenčním požadavkem pro domácnosti a veřejný život a je základem k udržitelnosti a rozvoji průmyslu, soukromého sektoru, služeb a infrastruktury. Z tohoto důvodu je potřeba zabezpečit stálý, bezpečný a finančně dostupný zdroj energie. Poptávka po energii může mít pak zdánlivě rostoucí tendenci v závislosti na kladných ekonomických činitelích, celková reálná spotřeba energie se v Evropské unii však podle údajů Eurostatu [1] v posledních letech výrazně neměnila (údaje pro EU-28, do roku 2013). Celkový průměr států EU-28 v letech 2010 až 2013 vykazuje spíše mírný pokles spotřeby energie.
V roce 2013 tato spotřeba činila 1666,3 miliónů TOE (tun ropného ekvivalentu), zatímco v roce 2010 představovala 1760,6 miliónů TOE [1].
Kromě závislosti na ekonomických faktorech má však tento pokles příčinu jak v současné evropské energetické iniciativě, tak i v inciativě na národních úrovních. V roce 2011 byl Evropskou komisí schválen plán „EU Evropa 2020 pro inteligentní a udržitelný růst podporující začlenění a přechod na ekonomiku účinně využívající zdroje“ [2], který je následníkem již dřívějších energetických reforem. Hlavními body této strategie jsou nová koncepce energetické účinnosti s cílem ušetřit 20 % spotřeby primárních zdrojů energie do roku 2020, povinnost energetické obnovy veřejných budov, finanční podpora technického a odborného výzkumu, efektivní výroba elektřiny a tepla, podpora energetické účinnosti běžných spotřebičů, doprava apod. [2]
Důsledkem této energetické politiky došlo v České republice (příp. v Slovenské republice nebo Polské republice) ke značným úsporám energie [1]. I přes tuto skutečnost je však potřeba pokračovat v tomto úsilí k snižování závislosti na dovozu zdrojů energie.
Přístupnost k neobnovitelným zdrojům (tj. fosilním palivům) je v Evropě značně ovlivněna aktuální geopolitickou situací a vytěžitelností rezervoárů. Hledají se proto jiné cesty k zajištění energetické bezpečnosti a soběstačnosti.
Podpora obnovitelných zdrojů, recyklace odpadního tepla a zvyšování efektivity již existujících systémů je klíčovým elementem této iniciativy. Jelikož je v konvenčních elektrárnách, případně v jiných průmyslových zařízeních, většina energie z primárních zdrojů ztracena z velké části jako odpadní teplo, je snaha o integraci více energetických systémů dohromady za účelem zvýšení celkové účinnosti. Kogenerace (KVET)(CHP = „combined heat and power“) je běžně zaváděný systém, dokonce již pro zařízení velmi nízkých výkonů.
V dnešní době však také vzbuzuje zájem trigenerace, neboli kombinovaná výroba elektřiny,
5
tepla a chladu (CCHP = „combined cooling heating and power“), která zavádí další stupeň využití odpadního tepla pomocí tepelně aktivovaného chlazení [3]. Ještě vyšší stupeň kombinace výroby více energeticky užitečných složek z toho samého zdroje je označován termínem polygenerace. Uplatnění nachází také pouze kombinovaná výroba elektřiny a chladu (CCP = „combined cooling and power“), která je vhodná například pro sezónní aplikace ke klimatizaci, nebo celoroční využití k mražení apod. Touto problematikou se budeme detailněji zabývat v následujících kapitolách.
2. Klasifikace možných alternativních zdrojů tepla v evropských podmínkách Jelikož evropské země nedisponují dostatečnými zásobami vytěžitelných fosilních paliv a taková řešení již ani nejsou z ekologického hlediska do budoucnosti preferována, je současný výzkum koncentrován na oblast využití nízkoteplotních a středněteplotních distribuovaných zdrojů tepla [4].
Biomasa je jeden z obnovitelných zdrojů, jehož dostupnost není natolik závislá na lokalitě, jak tomu je například u ropných produktů. Nutně nevyžaduje komplikovanou dálkovou přepravu paliva a může být pak použita i regionálně pro menší decentralizované jednotky. Její produkce má přibližně stálý a předvídatelný charakter [5]. Získávání tepla z biomasy může podléhat (a) termochemické reakci nebo (b) biochemické reakci. Mezi termochemické reakce patří přímé spalování, zplyňování, případně pyrolýza. Nejvyužívanější proces biochemické úpravy biomasy je anaerobní digesce, pomocí které se získává bioplyn [6]. Možné schéma využití biomasy k získávání kombinované výroby elektřiny, tepla a chladu je zobrazeno a popsáno v kapitole 3.
Odpadní teplo z průmyslových aplikací je také příkladem zdroje pro možné využití, např. výroba elektrické energie malých výkonů. Dosáhne se tím vyšší využitelnosti primárních zdrojů a vyšší efektivity provozu. Studie U. S. department of Energy [7] porovnává vhodnost různých průmyslných odvětví k využití odpadního tepla a podle teplot a druhu tepla je rozděluje do tabulek s příslušným doporučením metody technologie obnovy tepla.
Dalším perspektivním zdrojem tepla je energie solární. Sluneční záření může být využito k výrobě elektřiny pomocí fotovoltaických článků, anebo k zachycení tepla médiem za pomoci solárních tepelných kolektorů. Například v případě projektů velkých solárních elektráren využívajících tzv. solárních věží, které koncentrují sluneční paprsky, je možné dosáhnout generátoru vysokoteplotní páry (cca 600°C). V jiném případě (deskové kolektory, trubicové kolektory a jiné menší projekty) se jedná o nízkoteplotní zdroj tepla [8].
6
Geotermální energie je typickým představitelem nízkoteplotního zdroje, ačkoli se vyskytují oblasti (v okolí vulkanicky aktivní zóny) kde má výrazně vyšší potenciál a za určitých podmínek může být geotermální tekutiny využito přímo. Využitelnost zdroje však výrazně závisí na hloubce vrtu, teplotním gradientu, přítomnosti geotermální tekutiny a na jejím složení a termodynamických vlastnostech [9].
3. Využití nízko- a středně- teplotních zdrojů k výrobě elektrické energie
Na rozdíl od vysokoteplotních zdrojů, pro většinu výše zmíněných zdrojů tepla není konvenční Rankinův cyklus nejvhodnější volbou. Konvenční Rankinův cyklus je běžně využíván pro konverzi vysoce potenciálního zdroje tepla na velké výkony turbíny jako například při spalování uhlí nebo v jaderných elektrárnách [10].
Na velmi podobném principu jako je konvenční Rankinův cyklus pracuje i organický Rankinův cyklus (ORC), který ale využívá místo vody organickou látku jako pracovní médium.
Termodynamické vlastnosti relevantních organických látek umožňují několik výhod vůči vodě v případě nízko- a středně- teplotních zdrojů tepla a pro použití při malých výkonech [11].
Na obrázku 1 jsou v T-s diagramu vyobrazeny křivky nasycených stavů několika tekutin. Pentan, isobutan, toluen, R245fa, propan jsou některé z organických tekutin používané při technologii ORC. Latentní teplo vypařování, které je v T-s diagramu úměrné vzdálenosti horizontální úsečky spojující dolní a horní mezní křivku, je v případě organických tekutin podstatně menší než u vody. Na obrázku můžeme vidět štíhlejší charakter křivek organických látek. Nižší latentní teplo vypařování způsobuje, že méně tepla je odebráno zdroji při isotermním vypařování a více tepla je přijímáno organickou kapalinou při isobarickém
Obrázek 1 T-s diagram možných pracovních tekutin využívaných v Rankinovém cyklu [13].
7
předehřívání do stavu nasycení než tomu je při užití vody. Tato vlastnost umožňuje lepší
„kopírování“ teplotního profilu ochlazovaného zdroje tepla [12].
Další vlastnost ORC, která přispívá k vyšší efektivitě, je kladná derivace dT/ds podél větší části křivky nasycených par u většiny organických látek. Důsledkem toho není potřeba dalšího přehřívání tekutiny, při přímé expanze tekutiny v turbíně se pak nevytvářejí kapičky tekutiny, jelikož se tato tekutina na výstupu z turbíny nachází stále v oblasti přehřáté páry [13].
Výhodou ORC pro použití při nízkých teplotách je také menší poměr objemu média na výstupu a na vstupu do turbíny. Umožnuje to jak levnější tak jednodušší konstrukci turbíny [14].
[15] a [5] představují možnost efektivního lokálního využití trigenerace založené na spalování biomasy v široké škále komerčních a veřejných budov. Jelikož se jedná o provoz v malém měřítku, je pro spalování biomasy vhodný organický Rankinův cyklus (ORC), který dosahuje i při nižších teplotách uspokojující účinnosti, nevyžaduje náročnou údržbu a tím jsou redukovány náklady na provoz. Na obrázku 2 je vyobrazeno jednoduché schéma ORC cyklu s možným připojením absorpčního chlazení pro trigeneraci. Teplo vytvořené spalováním
biomasy je odevzdáno okruhu s termoolejem, který pak vstupuje do výparníku. Zde organické médium přijímá teplo, mění svoje skupenství až do stavu mírně přehřáté páry. Tekutina pak expanduje v turbíně, kde je energie přeměněna na mechanickou a následně na elektrickou energii. Aby se zvýšila účinnost cyklu, prochází pára regenerátorem. Ušetří se tak teplo předehřátím stlačené kapaliny na výstupu z kondenzátoru. Tekutina se dostane v T-s diagramu blíže horní mezní křivce a poté vstupuje do kondenzátoru, kde odevzdává teplo chladné vratné vodě, která je po ohřátí vhodná k vytápění budov a například k zásobování chladicího
Obrázek 2 Zjednodušené schéma trigeneračního cyklu s ORC a koltem na biomasu [15]
8
absorpčního cyklu. Organické médium se pak přes čerpadlo a zmiňovaný regenerátor vrací zpátky do výparníku a cyklus se opakuje [15].
Organického Rankinova cyklu je taky běžně využíváno k získávání energie z geotermálních zdrojů, u kterých je teplota geotermální tekutiny 150°C a nižší [9]. Geotermální voda je pod tlakem vedena z vrtu do výměníku, kde předává teplo organickému pracovnímu médiu a ideálně je vrácena zpátky do geologického rezervoáru.
ORC se stává taky oblíbený v aplikacích se solárními kolektory. Pracovní organické médium může proudit přímo přes kolektorové zařízení, nebo je vedeno v uzavřeném okruhu, kterému je teplo předáno pomocí dalšího cyklu se zásobníkem tepla. Ten zabezpečuje stabilnější přísun nízkoteplotního tepla [16].
Osobitou a důležitou úlohu má, minimálně v teoretické rovině, postavení cyklů s využitím zeotropické směsi látek. Jedná se o směs dvou látek, které díky různým teplotám varu přijímají teplo ze zdroje během isobarického vypařování při nekonstantní teplotě.
Způsobuje to pak lepší kopírování teplotního profilu zdroje tepla a zlepšuje účinnost cyklu oproti cyklům s čistým médiem.
Na obrázku 3 je možné pozorovat teplotní profily pracovních tekutin při isobarickém ohřevu z geotermálního zdroje. Modrá křivka představuje přijímání tepla pro ORC, v tomto
případě pro isopentan a červená křivka vyobrazuje ohřev zeotropní směsi, konkrétně 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3. Je to směs, která je využívaná jako pracovní médium například Kalinova cyklu.
Obrázek 3 Porovnání teplotních profilů ve výměníku při vypařování isopentanu a zeotropické směsi H2O-NH3.
x=0 značí výstup geotermální tekutiny z výměníku a x=100 představuje vstup do výměníku.[47]
9
Na obrázku 4 se nachází schéma Kalinova cyklu geotermální elektrárny v Husavíku na Islandu. Tato geotermální elektrárna využívá tzv. Kalinova cyklu KCS34 („Kalina cycle cystem 34“) [17]. Jedná se o jedno z mnoha uspořádání patentovaných dr. Kalinou a dalšími vědeckými pracovníky. Každý z těchto systémů byl navržen pro různé aplikace a liší se od sebe vlastními vloženými prvky a specifikami proto, aby byl, v co největší míře, využit potenciál zdroje. K příkladu, Kalinův cyklus KCS5 („Kalina cycle system 5“) je vhodný pro přímé spalování paliva, Kalinův cyklus KCS6 je navržen pro elektrárny s kombinovaným cyklem s plynovou turbínou („gas turbine based combined cycle plants“), případně Kalinův cyklus KCS11 a KCS34 jsou možné systémy pro nízkoteplotní geotermální zdroj tepla. Kdybychom pokračovali v tomto číselném systému označení Kalinových cyklů, našli bychom taky uspořádání pro další zdroje jako solární energie, teplo z procesního průmyslu, podřazený („bottoming“) cyklus jaderné elektrárny a podobně [18].
Kalinův cyklus KCS34 využívá čtyř výměníků tepla (výparník, kondenzátor a dva interní rekuperátory). Geotermální elektrárna v Husavíku využívá geotermální vodu teploty 124°C a hmotnostního toku 90 kg/s. Teplo je ve výparníku předáno pracovní tekutině (82%
směs 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3), v separátoru je pak oddělena plynná složka, která je bohatá na NH3 (95%
směs 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3) a kapalná složka, která představuje směs chudou (50% roztok 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3).
Obrázek 4 Pracovní schéma geotermální elektrárny Orkuveita Husavík [17].
10
Nasycená vysokotlaká pára bohaté směsi oddělená v separátoru pak pohání turbínu a rychle expanduje na páru nízkého tlaku a teploty. V nízkotlakém rekuperátoru („LT recuperator“) je tato pára smíchána s proudem slabého roztoku 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3, který byl oddělen v separátoru a veden přes vysokoteplotní rekuperátor, aby předehřál základní směs 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3 před vstupem do výparníku. Po částečné kondenzaci páry ve směsi v nízkotlakém výměníku je směs následně přivedena do kondenzátoru, kde je díky průtoku chladící vody úplně zkondenzována do kapalného stavu. Kvůli zvýšení účinnosti je pak tento základní roztok (82% směs 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3) přečerpán přes nízkoteplotní a vysokoteplotní rekuperátor do výparníku k dalšímu přijetí tepla z geotermální kapaliny a cyklus se znovu opakuje [17].
Kromě Kalinova cyklu existují další absorpční cykly využívající zeotropických směsí k výrobě elektrické energie. Tyto cykly a jejich další integrace v kombinované výrobě energeticky užitečných výstupů budou diskutovány v následujících kapitolách (5 a výše). Je však nevyhnutelné vyjádřit značnou důležitost Kalinova cyklu, poněvadž je základem, na kterém pak v dalším vývoji energetického využití zeotropických směsí stavělo množství vědců a techniků.
4. Výroba chladu
V současné době, kdy dochází pořád častěji k extrémním nárůstům teplot ovzduší, a to hlavně v letní sezóně, se objevuje značně zvýšená poptávka po klimatizaci, chlazení, či mražení právě v tomto období. Výroba chladicího výkonu tak může být velmi žádoucím a zároveň perspektivním prostředkem ke zvyšování efektivity využití paliva.
4.1. Konvenční způsoby výroby chladícího výkonu
Mezi konvenční způsob chlazení patří kompresní chladící cyklus, který se běžně používá jako samostatná chladící jednotka. Chladivo je v kompresoru stlačované za pomoci mechanické energie vytvořené vnější elektrickou energií. Po stlačení je v kondenzátoru teplo odevzdáno do okolí a kapalina vstupuje přes ventil do výparníku, kde za nízkého tlaku přijímá teplo chlazeného média a vypařuje se. Pára nízkého tlaku pak vstupuje do kompresoru a oběh se opakuje [19]. Tato metoda je již natolik dostupná, kompaktní a principiálně jednoduchá, že představuje minimální počáteční investici. Přesto je ale kompresní chlazení energeticky značně náročné. Objevují a rozvíjí se proto další alternativní způsoby výroby chladícího výkonu.
11 4.2. Termálně aktivované chlazení
Chlazení lze pohánět i za pomoci teplotního potenciálu, kde lze využít např. odpadního tepla. Mezi metody tepelně aktivovaného chlazení patří tzv. sorpční chlazení („sorption cooling“), které může být buď absorpcí (látka v určitém skupenství je začleněna do látky druhé v kapalném skupenství), nebo adsorpcí (ionty a molekuly jedné substance jsou vázaný k povrchu látky pevného skupenství). Jak u absorpce, tak u adsorpce, nedochází k mechanické kompresi chladiva, jako je tomu u konvenčních chladících zařízení, ale ke „kompresi tepelné“.
Kromě těchto dvou zde představených principů existuje z řady tepelně aktivovaných chlazení („thermally activated cooling technology“) ještě chlazení pomocí desikantů („desiccant cooling“), případně jiné [20] [21].
4.2.1. Sorpční chlazení 4.2.1.1. Absorpce
Pro potřeby trigenerace je pravděpodobně nejvhodnější použití 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 absorpčního chladícího cyklu, jelikož uvažujeme především chlazení a klimatizaci prostorů budov, navíc se jedná o komerčně dostupnou standardní technologii. 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 je zároveň oproti 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3 přívětivější k životnímu prostředí v případech možného úniku směsi
Obrázek 5 Základní schéma uspořádání LiBr-H2O absorpčního cyklu [22]
12
do okolí. Na obrázku 5 můžeme vidět základní schéma 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 absorpčního cyklu. Když popisujeme cyklus od stavu 1, slabý roztok absorbentu (přibližně 55% LiBr) s vodou (směs značena šedou barvou) opouští absorbér a čerpadlem je kapalná směs hnána přes výměník tepla na vstup generátoru páry (desorbér), značen stavem 3. Právě zde je do cyklu přiváděné nevyužité odpadní teplo z předchozího stupně trigenerace například v podobě kapaliny o teplotě 70 °C – 90 °C [21]. Působením tepla se chladivo (voda) ze směsi vypařuje. Ve vrchní části spojeného prostoru se nachází výměník s vnějším okruhem chladící vody, díky kterému zde páry chladiva kondenzují (stav 7). Již čisté chladivo (voda) proudí z kondenzátoru přes expanzní ventil do výparníku, značeném stavem 9. Díky velmi nízkému tlaku zde dochází k vypařování chladiva za nízké teploty (~ 5 °C), které přijímá teplo z kontinuálně přetékající chlazené vody. Tato voda má pro danou konfiguraci na výstupu přibližně 7 °C a je využita k chlazení. Vzniklá pára pak teče do absorbéru, kde se váže na zde přítomnou silnou směs absorbentu (~ 60 % LiBr), který je sem dopraven z generátoru (stav 4) přes výměník tepla (stav 5). Interakce par chladiva s roztokem LiBr (absorpce) má při současném odvodu tepla za následek udržování nízkého tlaku v nízkotlaké části oběhu (výparníku a absorbéru). Následně se cyklus opakuje stavem 1 [22].
Ke znázornění jevu „tepelní komprese“, je potřeba detailněji rozebrat situaci ve výparníku a absorbéru (změna stavu 9 1). Když bude například teplota 54% směsi absorbentu s vodou v absorbéru 30 °C, můžeme podle grafu (obrázek 6) zjistit na pravé svislé ose tlak par v absorbéru (pro náš případ ~ 0,87 kPa). Pro tlak ~ 0,87 kPa v spojeném prostoru se bude chladivo (voda) přitékající do výparníku vypařovat při ~ 4,96 °C za předpokladu dosažení
Obrázek 6 Graf závislosti teploty nasícení směsi LiBr – H20 na koncentraci, tlaku par a teploty nasícení čisté vody [23].
13
rovnováhy. Do výparníku přivádíme chlazenou vodu, která předává teplo chladivu a na výstupu dosahuje například požadovanou teplotu chlazení ~ 8 °C. Tím je na výstupu chlazené vody teplotní rozdíl pro prostup tepla stěnou výparníku ~ 3 °C. Pro pokrytí tlakové ztráty mezi výparníkem a absorbérem je ale nutné počítat s lehce vyšším tlakem (a tím teplotou) vypařováni chladiva. Jelikož jsou nádoby ale spojeny, chladivo vstupující do výparníku se vypařuje a snaží se dosáhnout rovnovážného stavu s prostředím v absorbéru, do kterého následně proudí (ve směru menšího tlaku). Dosáhnutí zcela rovnovážného stavu v provozu mezi výparníkem a absorbérem ale není možné, protože páry chladiva jsou kontinuálně absorbovány silným roztokem LiBr, který je po absorpci neustále odčerpáván z nádoby a tlak v absorbéru je tím pádem stále konstantní a menší než ve výparníku [23].
Obrázek 7 představuje víše popsané stavy chladícího absorpčního cyklu v T-s diagramu (čísla stavů na obrázku 7 nerespektují pořadí čísel na obrázku 5). Tento diagram je označován jako rozšířený T-s diagram H2O pro zeotropní směsi („extended T-s diagram“) [24]. Křivky Yi
a Xi představují horní a dolní mezní křivky pro jednotlivé koncentrace LiBr ve směsi. Jak je vidět v diagramu, přívod tepla v generátoru způsobí vypařování vody (plná černá čára) z 58%
slabého roztoku 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 (stav 1) při nekonstantní teplotě do stavu 2. Voda svým vypařováním zanechává v generátoru směs se stále narůstající koncentrací směsi (v případě diagramu na obrázku 7 až do koncentrace silného roztoku 64% LiBr ve směsi = stav 12). Jelikož je oddělená vodní pára v kondenzátoru již nezávislá na koncentraci směsi, podléhá tak typické isotermické a isobarické kondenzaci ze stavu 3 do stavu 4. O isotermu se taky jedná v případě
Obrázek 7 T-s diagram LiBr absorpčního cyklu představující změny stavů vody/vodní páry v závislosti na koncentraci roztoku LiBr-H2O [24].
14
nízkoteplotního vypařování ve výparníku (stavy 5 až 6). Podobná situace jako v generátoru je pozorovatelná v absorbéru, jelikož je sem již přiváděná silná směs roztoku (stav 17 = 7), neisotermickým chlazením je pak voda absorbována za vzniku slabé 58% směsi (stav 8). Větev silného roztoku 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 je v diagramu znázorněna pomocí čárkované čáry [24].
4.2.1.2. Adsorpce
Chlazení pomocí adsorpce je další způsob sorpčního chlazení, který v posledních desetiletích vzbuzuje zájem výzkumníků. Přesto, že se jeví jako efektivní způsob chlazení s využitím odpadního tepla, jeho použití zatím není běžně implementováno [25].
Adsorpce může být jak fyzikální, tak chemická, ale pro většinu technických aplikací je chemická adsorpce nevhodná kvůli náročné reverzibilitě procesů adsorpce a desorpce [26].
Adsorpční cykly ve své podstatě nevyžadují použití žádné mechanické energie. Jejich oběh se skládá z adsorpčního lože („adsorber bed“), kondenzátoru, expanzního ventilu a výparníku.
Adsorpční lože je v případě fyzikální adsorpce většinou pórovitý materiál pevného skupenství vyrobený z aktivovaného uhlíku („AC“), silikagelu nebo zeolitu. Nejběžnější chladivo v pracovním páru je většinou 𝐻2𝑂, která vykazuje nízkou toxicitu, případně 𝑁𝐻3, 𝐶𝐻3𝑂𝐻, nebo 𝐶2𝐻5𝑂𝐻 můžou být také využity [21]. Základní chladící adsorpční cyklus je intermitentní, což znamená, že oběh není plynulý a skládá se ze čtyř za sebou navazujících termodynamických změn [25]:
I. Zahřívání a natlakování („heating and pressurization“)
II. Zahřívání, desorpce (+ kondenzace) („heating and desorption“) III. Chlazení a odtlakování („cooling and depressurization“) IV. Chlazení, adsorpce (+ vypařování) („cooling and adsorption“)
Tento oběh je znázorněn na obrázku 8, na tzv. Clayperonovo diagramu. Na obrázku 9 je vyobrazeno schéma technického uspořádání částí oběhu. V prvním kroku adsorpční panel přijímá teplo ze zdroje (např. odpadního tepla), ventil 1 je uzavřen (na obr. 8 změna ze stavu 1 do stavu 2). Ventil 1 je otevřen, když se tlak v tomto panelu blíží teplotě kondenzace chladiva.
Hned potom dochází k isobarické desorpci chladiva z panelu, které pak proudí do kondenzátoru. Chladivo na obrázku 8 sleduje černou křivku kondenzace ze stavu 2 do stavu C (stav syté kapaliny). Adsorbent na druhé straně pokračuje v zahřívání a snižuje koncentraci navázaného chladiva (změna 2 3). Po dokončení kondenzace chladiva jsou ventily 1 a 3 uzavřeny a chladivo v kapalném stavu protéká expanzním ventilem 2 do výparníku (změna stavů C E). Během toho dochází k chlazení adsorpčního panelu (3 4). Když tlak
15
v adsorbéru klesne na výparný tlak chladiva, ventil 3 je otevřen. Dochází k rychlému vypařování chladiva ve výparníku za nízké teploty (změna stavů E 1) a teplo je přijato z vnějšího zdroje chlazené vody, která pak slouží ke chlazení. Na straně adsorbčního panelu dochází k samotné isobarické adsorpci chladiva (změna stavů 4 1). Po ukončení adsorpce je ventil 3 uzavřen, adsorpční panel přijímá teplo a cyklus se opakuje [26].
Jelikož je žádoucí nepřetržitá výroba chladu, kvazikontinuální cyklus může být docílen instalací dvou a více adsorpčních panelů, které pracují vzájemně v různé fázi. Tyto pokročilé systémy mají různé podoby podle jednotlivých modifikací. Jedná se například o kontinuální cyklus s rekuperací tepla („continuous heat recovery cycle“), cyklus s rekuperací hmoty („mass recovery cycle“), cyklus „thermal wave“, kaskádovitý cyklus („cascaded multi-effect cycle“), případně hybridní cyklus topení a chlazení („hybrid heating and cooling cycle“). Podrobnější popis těchto cyklů je možné dohledat v publikaci od Hassan et al. [27].
Obrázek 8 Clapeyronův diagram základního adsorpčního cyklu v P-T diagramu s upravenými osami [27].
Obrázek 9 Schéma rozložení adsorpčního cyklu [48].
16
4.2.2. Chlazení pomocí desikantů („dessicant cooling“)
Odpařovací chladicí oběhy na bázi desikantů („desiccant based evaporative cooling systems“) jsou systémy, které získávají chladící efekt odpařováním vody do proudu suchého vzduchu. Tímto procesem je zvýšena vlhkost a snížena teplota regulovaného vzduchu. Tento způsob chlazení je vhodný pro klimatizaci interiérů, a jelikož se jedná o tzv. otevřený systém, předpokládá se spíš menší teplotní rozdíl mezi vnitřním a vnějším prostředním. Aplikace systému přímo klade nároky na vlastnosti vstupního vzduchu, který musí být pro zajištění funkčnosti a efektivity dostatečně suchý. Tato značná nevýhoda je proto odstraněna využitím desikantů. Desikanty jsou látky, které pomocí absorpce nebo adsorpce vážou na sebe vzdušnou vlhkost. Desikanty můžou býti buď kapalného, nebo pevného skupenství. Výzkum se soustředí především na pevné desikanty, které se také již používají v jiných průmyslových aplikacích.
Silikagel, soli pevného skupenství jako 𝐶𝑎𝐶𝑙2, 𝐿𝑖𝐵𝑟 a 𝐿𝑖𝐶𝑙, aktivovaný uhlík a přírodní zeolit jsou nejběžnější desikanty [20][28].
Na obrázku 10 je znázorněn princip dostupné standardní metody odpařovacího chlazení pomocí desikantů. Jednotlivé změny stavů jsou znázorněny na obrázku 11 ve psychometrickém grafu s osami pro entalpii (kJ/kg), teplotu suchého teploměru (°C), hmotnostní poměr páry a suchého vzduchu (kg/kg) a pro relativní vlhkost (%). Do systému vstupuje čerstvý vzduch (stav 1), který prochází rotujícím kolem („desiccant wheel“) obsahujícím desikant. Relativní vlhkost vzduchu je tak podstatně snížená a z kola vychází suchý, horký vzduch (stav 2). Tento horký vzduch pak odevzdává teplo ve výměníku tepla (změna stavů 2 3). Následuje samotné isoentalpické chlazení odpařováním vody do proudu suchého vzduchu (změna stavů 3 4) na požadované hodnoty vlhkosti a teploty vzduchu v interiéru. Využitý vzduch se pak vrací zpátky přes další odpařovací chladič (změna 5 6) do systému. Vzduch byl schlazen proto, aby byla zaručena efektivní výměna tepla ve výměníku s regulovaným vzduchem („process air“). Vratný vzduch je pak ještě ohříván na regenerační teplotu (změna 7 8) pomocí vnějšího přívodu tepla odpadního, nebo tepla ze solárních kolektorů a podobně. Takto ohřátý vzduch prochází
Obrázek 10 Schéma metody chlazení pomocí kola s pevným desikantem [20].
17
rotujícím kolem s desikantem. Desikant je díky přijatému teplu regenerován (změna 8 9) a vlhký vzduch pak opouští systém do okolního prostředí [28].
4.2.3. Ejektorové chlazení
Chlazení aktivované přívodem tepla lze dosáhnout alternativně jinak než chemickým, či fyzickým navázáním chladiva na absorbent/adsorbent. Ejektorové cykly k docílení komprese chladiva nevyužívají zeotropické směsi, ani jiné interakce mezi pracovními látkami, nýbrž mechanický způsob využívající vloženou součást nazývanou ejektor. Průřez typického ejektoru je znázorněn na obrázku 12. Skládá se z trysky („nozzle“), sací komory („suction chamber“), směšovací části („mixing chamber“) a difusoru („diffuser“). Hydromechanické vlastnosti ejektoru, které jsou dány právě touto konstrukcí, jsou zcela klíčové k fungování ejektorového chladicího cyklu.
Obrázek 13 představuje jednoduchý chladící oběh s ejektorem, doprovázený p-h a T-s diagramem. Pracovní látce je v generátoru předané teplo z nízkoteplotního zdroje. Pracovní látka opouští generátor jako pára vysokého tlaku (na obrázku 12 a 13 stav 𝑔, 𝑜 = „generator outlet“). Pára je přivedena na vstup do ejektoru, vstupuje do trysky, která způsobuje náhlé zrychlení proudu a zároveň snížení tlaku par, jenž je funkcí rychlosti (tato změna je znázorněna na obrázku 12 červenou čárou ze stavu 𝑔, 𝑜 do stavu 2). Samotné chlazení probíhá ve vedlejší větvi ve výparníku, kde dochází k vypařování média za nízké teploty. Ejektor je dimenzován tak, aby výsledný tlak za tryskou byl menší než tlak ve výparníku (na obrázku 12 znázorněno jako 𝑝′ < 𝑝𝑒). V sací komoře je pak díky tlakovému rozdílu pára z chladící větve nasávána do
Obrázek 11 Změny stavů chladícího oběhu ve psychometrickém grafu přislouchající ke schématu na obrázku 10 [20].
18
ejektoru. Ve směšovací komoře dochází k isobarickému směšování proudů. V difusoru je pak již jednotná pára pracovní látky přivedena tzv. šokem na úroveň kondenzačního tlaku (𝑝𝑐).
Látka pak v kondenzátoru kondenzuje ze stavu 𝑐, 𝑖 („condenser inlet“) do stavu 𝑐, 𝑜 („condenser outlet“). Zkondenzovaná kapalina je pak rozdělena do dvou proudů: jeden prochází škrtícím ventilem a ve výparníku podléhá nízkotlakému vypařování při nízké teplotě, druhý je přečerpán do generátoru a cyklus se opakuje [29].
Jako pracovní médium může být využitá celá škála chladiv a organických látek, které však musí splňovat určité termodynamické vlastnosti (například vysoké skupenské teplo,
Obrázek 12 Schéma základního ejektorového chladícího oběhu společně se změnami stavů zobrazenými v p-h a T-s diagramu [29].
Obrázek 13 Schéma ejektoru společně s grafickým vyobrazením průběhů tlaků a rychlostí v závislosti na poloze v ejektoru [29].
19
vysoká kritická teplota a vyšší molární hmotnost). Ejektorové chlazení není prozatím obecně komerčně využíváno, jelikož účinnost systému výrazně klesá, když se podmínky v ejektoru vychýlí od navrhovaných parametrů [30].
4.3. Ostatní metody chlazení
Mezi další průmyslově možné alternativní aplikace chlazení patří termoelektrické chlazení, termoakustické chlazení, magneticko-kalorické chlazení nebo případně termionické chlazení. Tyto metody však zatím nejsou komerčně užívané a vyžadují dalšího zkoumání v oboru. Konkrétní popis druhů chlazení uvedených v této podkapitole již obsahově překračuje rozsah této práce. Podrobnou analýzu alternativních metod chlazení však přináší publikace od Brown et al. [31], Bansal et al. [33] nebo případně od Verma [35].
5. Kombinovaná výroba chladu a elektřiny („CCP“)
Je zřejmé, že tepelně aktivované chlazení může hrát velmi významnou roli ve zvyšování efektivity tepelných oběhů a využitelnosti primárních zdrojů tepla. Potenciál této metody neustále roste se změnami klimatu způsobenými globálním oteplováním, s energetickou náročností konvenčních metod výroby chladu (kompresní chlazení), s nepředvídatelností vývoje cen primárních zdrojů a s politickým a legislativním nátlakem na vývoj efektivnějších technologií. Vzhledem k těmto důvodům se v následujících kapitolách budeme věnovat kombinované výrobě elektřiny a chladu s využitím technologie termálně aktivovaných chladících cyklů, zejména absorpčních cyklů.
V předcházejících kapitolách byly samostatně představené možnosti využití nízko- a středně- teplotních zdrojů tepla k výrobě elektrické energie (kapitola 3) a možnosti využití tepla k tvorbě chladícího výkonu (kapitola 4.2). Pro potřeby kombinované výroby chladu a elektřiny („CCP“), případně kombinované výroby chladu, tepla a elektřiny („CCHP“) je možné použít systémy s oddělenými cykly, nebo integraci výroby do jednoho termodynamického cyklu.
Výhody, nevýhody a názorné uspořádání jsou diskutovány v následujících pododděleních.
5.1. Systém se dvěma oddělenými termodynamickými cykly
CCP nebo CCHP systémy s oddělenými termodynamickými cykly jsou základním standartním způsobem využití kogenerace/trigenerace. Můžou být sestaveny z různých kombinací cyklů, které již byly představeny v kapitolách 3 a 4.2. Nadřazeným cyklem systému („topping cycle“), neboli cyklem využívajícím maximální potenciál zdroje tepla, je tepelný oběh k výrobě elektrické energie (například Rankinův cyklus, ORC, Kalinův cyklus,
20
apod.) a podřazeným cyklem („bottoming cycle“) bude v tomto případě oběh, využívající odpadní teplo z nadřazeného cyklu, k výrobě chladícího výkonu termálně aktivovaným chlazením [32]. Popsaný příklad využití systému s dvěma oddělenými termodynamickými cykly je organický Rankinův cyklus s kotlem na biomasu a s podřazeným („bottoming“) absorpčním chladícím oběhem v kapitole 3 s obrázkem 2.
Výhodou oddělených cyklů je možnost instalace cyklu tepelně aktivovaného chlazení na již existující provoz. Tabulku a detailní porovnání vhodnosti technologií chlazení obsahuje studie od Deng et al. [20]. Obecně je však absorpce s 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 vhodná hlavně pro průmyslové chlazení, případně velké komerční budovy a instituce. Absorpce s 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3 se využívá většinou pro velkokapacitní mražení v průmyslu. Adsorpce je vhodná pro chlazení budov menších kapacit a pro rezidenční využití. Chlazení pomocí desikantů je určené pro průmyslové procesy, skladování a pro klimatizaci vnitřních budovních prostorů [20].
5.2. Systém s jedním termodynamickým cyklem skládající se z jediné větve
CCP systémy s jedinou větví termodynamického cyklu vytvářejí simultánně jak elektrickou energii, tak i chladící výkon. Jde o určitou kombinaci Rankinova cyklu a absorpčního chladicího oběhu. První návrhy k tomuto cyklu vytvořil prof. Goswami s použitím 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3 jako pracovního páru a podle jeho návrhu bylo od té doby vytvořeno několik modifikací. Tyto oběhy jsou v současnosti dále pečlivě zkoumané a vyhodnocované. Při správné konfiguraci můžou vykazovat větší účinnost než kogenerace s oddělenými cykly, jelikož jsou eliminovány ztráty při přenosu tepla ve výměníku na další cyklus a na rozdíl od Rankinova, či organického Rankinova cyklu, zde dochází k lepšímu kopírování teplotního profilu se zdrojem tepla [34]. Kopírování teplotního profilu bylo zobrazeno na obrázku 3.
Neisotermické vypařování je způsobeno zeotropním charakterem pracovního páru (𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3).
Obrázek 14 zobrazuje typické uspořádání oběhu pro kombinovanou výrobu chladu a elektřiny s jediným termodynamickým cyklem (tzv. „Goswami cycle“). Cyklus s vnitřním chlazením (obrázek 14a) začíná se základní směsí („basic solution“) čpavku a vody (stav 1), která je přečerpána do stavu vysokého tlaku (stav 2). Směs pak odebírá teplo ve dvou rozdělených proudech, jeden v rektifikátoru („rectifier“) (změna stavů 2A 13) a druhý ve výměníku tepla (změna stavů 2B 14). Proudy jsou pak znova spojeny (stav 3) a vstupují do kotle (desorbéru). Zde je díky přívodu vnějšího zdroje tepla (stavy 17 18) směs částečně přivedena k varu. Plynná směs bohatá na čpavek pak opouští desorbér (stav 4) a směřuje do
21
rektifikátoru. Nevypařená horká kapalná směs chudá na čpavek opouští kotel (stav 10) směrem k absorbéru. Rektifikátor je zařízení, které pracuje na principu frakční chemické destilace.
Dochází zde k částečné kondenzaci vody z proudu plynné směsi bohaté na čpavek přitékajícího z kotle (stav 4). Kondenzovaná voda je pak navrácena do kotle (stav 5). Tento krok je učiněn k navýšení koncentrace čpavku před vstupem do turbíny, což je potřebné pro dosažení žádoucího chladícího efektu [36]. Vysoce koncentrovaná plynná směs čpavku je pak ke zvýšení výkonu turbíny přehřáta (změna stavu 6 7). Směs expanduje v turbíně na teplotu nižší než je teplota okolí a koná mechanickou práci (stavy 7 8). K chlazení/mražení dochází ve výměníku tepla předáním tzv. citelného tepla („sensible heat“) chlazenému médiu (změna stavů 8 9).
Plynná směs bohatá na čpavek (stav 9) teče do absorbéru, kde je vázána na slabý roztok čpavku, který sem přitéká z desorbéru přes výměník tepla a škrtící ventil (stavy 10 11 12). Po samotné absorpci je základní roztok („basic solution“) regenerován, odčerpán a cyklus začíná znovu [34]. Obrázek 14b zobrazuje Goswami cyklus na stejném principu, chlazení v rektifikátoru je ale zabezpečeno vnějším chladícím okruhem. Tato modifikace snižuje konstrukční náročnost cyklu, je však potřeba zabezpečit přívod externí chladicí kapaliny.
Cyklus vykazuje nižší využitelnost teplotního zdroje, jelikož je snížen stupeň regenerace tepla [37].
Obrázek 14 Schematické zobrazení Goswami cyklu s vnitřním chlazením (a) a s vnějším chlazením (b)rektifikátoru [37].
22
5.3. Systém s jedním složeným termodynamickým cyklem skládajícím se ze dvou větví
Několik vědeckých výzkumů se soustředí také na kombinovanou výrobu chladu a elektřiny tzv. metodou duální funkce („dual function“). Jedná se o výrobu elektrické energie a chladícího výkonu ve dvou různých vlastních větvích, které jsou ale spojeny v jeden termodynamický oběh. Výhodou systému s dvěma větvemi je možnost regulace výroby chladu a elektřiny v požadovaném poměru v závislosti na potřebě a ročním období. V případě jediné větve (předcházející kapitola), byla tato volitelnost výroby značně limitována parametry, pro které byl daný cyklus navržen.
Pro tento druh cyklů se většina vědeckých publikací soustřeďuje na absorpční systémy (zásadní taky pro tuto práci), mohou se ale objevit také jiné technologie tepelně aktivovaného chlazení jako ejektorové, či adsorpční chladící cykly. Pro případ absorpčních cyklů pro kombinovanou výrobu elektřiny a chladu s dvěma větvemi sdílí větve společný desorbér (generátor), který je příjemcem odpadního tepla, a také většinou absorbér [34].
Samostatné chladící cykly jsou již známé několik desítek let a jejich komerční využívání je technicky zvládnuté a rozšířené. Samostatné absorpční cykly k výrobě elektřiny („absorption power cycles“) jsou zastoupeny hlavně teoreticky v široké škále Kalinova cyklů a dalšími cykly na bázi zeotropického pracovního média. Kalinův cyklus pracuje se směsí 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3, avšak v posledních letech se objevují teoretické práce, které využívají i jiných směsí.
Obrázek 15 Zjednodušené schéma absorpčního cyklu kombinované výroby chladu a elektřiny podle Erickson et al. [39].
23
Garcia-Hernando [38] například zkoumá termodynamické účinnosti absorpčního cyklu k výrobě elektrické energie s použitím směsi 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂.
Integraci samostatné absorpční větve pro výrobu chladícího výkonu a samostatné absorpční větvě k výrobě elektřiny do jednoho termodynamického cyklu pak představil Erickson et al. [39]. Podle autorů dosahuje tento cyklus největší účinnosti v rozmezí teplot vstupujícího odpadního tepla od 120°C do 300°C. Tento cyklus je zobrazen na obrázku 15 ve zjednodušené formě. V módu generujícím pouze elektřinu jsou v desorbéru odpadním teplem uvolněny páry silného roztoku čpavku ve vodě. Tyto páry pak pohání turbínu.
Nízkotlaké páry na výstupu turbíny jsou pak absorbovány absorbentem. Výsledná kapalná směs je přečerpána zpátky do desorbéru přes speciální rekuperátorový systém kvůli regeneraci tepla uvnitř oběhu. V případě čistě chladícího oběhu jsou páry silné směsi čpavku kondenzovány v kondenzátoru. Kapalná směs je pak vedena přes expanzní ventil do výparníku, kde se vypařuje při nízké teplotě za vzniku chladících efektu. Páry nízkého tlaku jsou pak absorbovány v absorbéru a cyklus se uzavírá [39].
Na obrázku 16 je příklad cyklu kombinované výroby elektřiny a chladu navržený Wang et al. [40]. Tento cyklus je modifikací cyklu původně navrženého podle Zhang et al. [41]. Oba cykly používají směs 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3 jako pracovní médium. Cyklus od Wang et al. (obrázek 16) avšak byl zjednodušen odstraněním čerpadla před turbínou, kondenzátoru za ním a nákladných výměníků tepla s malou rekuperací tepla. Systém vykazuje menší exergickou účinnost (43%
Obrázek 16 Absorpční chladící cyklus se dvěma větvemi od Wang et al. [40].
24
vůči 50,9%), avšak nabízí výrazně snížené náklady. Cyklus má technicky snadnější seřízení a menší počet prvků nepředstavuje požadavek na tak vysokou teplotu zdroje [34]. V cyklu na obrázku 16 přitéká základní roztok vody a čpavku do rektifikátoru, kde ve spodní části dochází k ohřevu směsi, ten způsobuje vypařování silné směsi čpavku ve vodě (stav 12). Jedná se principiálně o chemickou destilační kolonu. Páry silné směsi pak putují přes kondenzátor do chladící větve cyklu. Kondenzátor zvyšuje koncentraci čpavku kondenzací vody. Co nejvyšší čistota čpavku způsobuje efektivnější chlazení ve výparníku (stav 2 až 3) a lepší absorpci chladiva (stav 3 až 4). Slabý roztok čpavku je na druhé straně na výstupu kotle (stav 7) naváděn přes další výměník k dodatečnému vypařování absorbentu. Páry slabého roztoku pak expanzí v turbíně konají práci, v absorbéru jsou kondenzovány a směs je smíšena s výstupem z chladící větve za vzniku základního roztoku (stav 4) [40].
Další absorpční cyklus od Zhang et al.[42] je vyobrazen na obrázku 17. Destrukce exergie je snížena přidáním rekuperátoru v chladící větvi a přechodem zdroje tepla přes tři výměníky tepla. Pro udržení účinnosti oběhu je potřeba zabezpečit zdroj s dostatečně vysokou teplotou. Zdrojem tepla je proud horkého vzduchu a spalin, látkou pracovního páru je směs 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3.
Existuje několik dalších možných sestavení cyklů kombinované výroby chladu a elektřiny využívajících jeden termodynamický cyklus. Jejich seznam, další popis a porovnání je možné dohledat v publikaci od Ayou et al. [34]. Většina teoreticky zkoumaných cyklů kombinované výroby elektřiny a chladu je založena na bázi pracovního média 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3. Určité jiné pracovní páry mohou představovat výhody v absorpčních cyklech [43]. Aplikace
Obrázek 17 Paralelní zapojení větví kombinovaného absorpčního cyklu [42].
25
𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 v absorpčním cyklu v kogeneraci bude vyzkoušena v modelové úloze v následující stati.
6. Modelová úloha výpočtu kombinované výroby chladu a elektřiny
Po předchozím studiu cyklů kombinované výroby elektřiny a chladu bude navržen model podřazené kogenerační (respektive trigenerační) jednotky k tomuto účelu. Zdrojem tepla pro tuto úlohu je odpadní teplo reálného nadřazeného organického Rankinového cyklu.
Pracovním médiem tohoto ORC cyklu je siloxan s označením MM, což je zkratka pro hexamethyldisiloxane (C6H18OSi2). Tato organická látka předává podřazenému cyklu citelné teplo na výstupu z turbíny při teplotě 150 °C a tlaku 0,75 bar, a následně teplo latentní při kondenzaci média. Jako pracovní látka podřazeného absorpčního cyklu ke kombinované výrobě elektřiny a chladu byla zvolena zeotropická směs 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂. Tato směs absorbentu a chladiva je již běžně používána při samotné výrobě chladu pomocí absorpce. Jak již bylo zmíněno, v posledních letech se také objevily studie 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 absorpčních cyklů k samotné výrobě elektrické energie [38]. Novým přístupem je využití této směsi ke kombinované výrobě elektřiny a chladu v jednom termodynamickém oběhu se dvěma větvemi (jedna pro chlazení a jedna pro výrobu elektrické energie). Schéma tohoto modelového cyklu je na obrázku 18.
Obrázek 18 Schéma navrhovaného LiBr-H2O absorpčního kogeneračního oběhu.
26
Navrhovaný model, na rozdíl od oběhů s pracovním médiem 𝐻2𝑂 − 𝑁𝐻3, nezahrnuje rektifikátor (upravenou destilační kolonu) za desorbérem, díky vysokému rozdílu teplot varu mezi vodou a bromidem lithným. Páry chladiva (vody) při vypařování tím pádem neobsahují žádný absorbent (LiBr), neboť jeho parciální tlak je zanedbatelný a proto není potřeba rektifikace k purifikaci par [43]. Další výhodou pracovního páru 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 je nižší teplota potřebná v desorbéru, což ho činí vhodným pro nízkoteplotní zdroje tepla [22].
Podle obrázku 18, je odpadní teplo (citelné a kondenzační teplo) nadřazeného cyklu předáno z média MM (stavy 21 až 23) v desorbéru (generátoru) pracovní látce 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 (stavy 2 až 4). Ohříváním směsi dochází k vypařování vody jako složky s vyšší těkavostí a zároveň tím dochází ke zvyšování koncentrace LiBr v nevypařené kapalné směsi. Tyto dvě fáze, kapalná a plynná, jsou odděleny při výstupu z desorbéru. Oddělený silný roztok je veden přes rekuperátor do absorbéru (stavy 13 až 15) a odseparovaná vodní pára opouštějící desorbér je ze stavu 5 dělena podle požadovaného poměru do větve k výrobě elektrické energie (stav 6) a do větve k výrobě chladicího výkonu (stav 8). V chladící větvi je pára kondenzována ve výměníku odevzdáním tepla chladící vodě (stav 8 až 9). Vzniklá kapalina prochází expanzním ventilem (stavy 9 až 10), který zajišťuje udržení nízkého tlaku v chladícím výparníku. Kapalina je zde pak vypařována při nízkém tlaku a nízké teplotě (stavy 10 až 11) a tím odebírá teplo z přiváděné chlazené vody, která je následně použita k chlazení (stavy 41 až 42). Výstupní pára je pak smíšena s proudem z druhé větve (stav 12), ve které byla pára expandována v turbíně do stavu nízkého tlaku za vzniku mechanické energie. Sjednocená pára je pak v absorbéru vázána na přitékající absorbent (silný roztok 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂) (stavy 16 až 17). Vzniklá slabá směs absorbentu a chladiva je pak odčerpána z absorbéru (stavy 17 až 1) přes rekuperátor (stavy 1 až 2), který předehřívá směs. Pracovní látka je následně vrácena zpátky do desorbéru, kde směs přijímá další teplo a cyklus se opakuje.
Pro výpočty při modelování cyklu byly pro jednotlivé komponenty využity termodynamické bilance. Tou nejzákladnější je zákon zachování hmotnostního toku [44], rovnice (6.1):
∑ 𝑚̇𝑖
𝑖∈𝐼𝑁(𝑗)
− ∑ 𝑚̇𝑖
𝑖𝜖𝑂𝑈𝑇(𝑗)
= 0 (6.1)
kde 𝑚̇𝑖 značí hmotnostní tok proudu i v kg/s se značením IN pro přitékající proudy a se značením OUT pro odtékající proudy pro komponent j.
27
Jelikož se jedná o cyklus se zeotropickou směsí musí také platit zákon zachování hmotnostního toku s ohledem na koncentraci směsi:
∑ 𝜉𝑖𝑚̇𝑖
𝑖∈𝐼𝑁(𝑗)
− ∑ 𝜉𝑖𝑚̇𝑖
𝑖𝜖𝑂𝑈𝑇(𝑗)
= 0 (6.2)
𝜉𝑖 představuje poměr hmotnosti vody k celkové hmotnosti směsi v daném proudu.
Energetická bilance založená na prvním zákonu termodynamiky je další nevyhnutelnou rovnicí pro určení stavů v daném komponentu:
∑ ℎ𝑖𝑚̇𝑖
𝑖∈𝐼𝑁(𝑗)
− ∑ ℎ𝑖𝑚̇𝑖
𝑖𝜖𝑂𝑈𝑇(𝑗)
+ 𝑄̇𝑗− 𝑊̇𝑗 = 0 (6.3)
kde ℎ𝑖 představuje měrnou entalpii přitékajícího (IN) nebo odtékajícího (OUT) proudu do/z komponentu j. Jak v rovnici (6.3), tak i celém výpočtovém modelu jsou zanedbány tlakové ztráty a vlastní kinetická síla proudu. 𝑄̇𝑗 je teplo přijaté směsí a 𝑊̇𝑗 je práce vykonaná směsí v kontrolním objemu komponentu j. Rovnice (6.3) může být upravena jak pro případ když směs v kontrolním objemu nevykonává žádnou práci 𝑊̇𝑗 = 0 (rovnice (6.4)), tak pro případ když není přijato nebo odebráno žádné teplo 𝑄̇𝑗 = 0 v kontrolním objemu komponentu j (rovnice (6.5)).
𝑄̇𝑗 = 𝑚̇𝑖(ℎ𝑖+1− ℎ𝑖) (6.4)
𝑊̇𝑗 = 𝑚̇𝑖(ℎ𝑖 − ℎ𝑖+1) (6.5)
kde ℎ𝑖 je entalpie stavu pro proud vstupující do kontrolního objemu a ℎ𝑖+1 je entalpie stavu pro proud vystupující z kontrolního objemu komponentu j.
K výpočtu soustav rovnic modelu byl použit program Engineering Equation Solver (EES). Do EES byla implementována dodatečná knihovna termodynamických vztahů pro směs 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 s jménem LibWaLi od Hochschule Zittau/Görlitz.
6.1. Určující parametry oběhu
Vstupní parametry z nadřazeného cyklu a požadované výstupní parametry jsou popsány spolu s okrajovými parametry oběhu v následující tabulce 1. Číselné popisy stavů a indexy označení veličin odpovídají úrovním na obrázku 18.
28
Tabulka 1 Přehled vstupních a výstupních parametrů:
Teplota přitékajícího média MM na vstupu 𝑇21 150 °C
Tlak přitékajícího média MM 𝑝21 0,75 bar
Stanovující předané teplo v absorbéru 𝑄̇24 100 kW
Hmotnostní tok přitékajícího média MM 𝑚̇21 0,3287 kg/s
Teplota okolí 𝑇0 15 °C
Atmosférický tlak okolí 𝑝0 1 bar
Podíl hmotnosti páry ve větvi pro výrobu elektrické energie k celkové hmotnosti vodní páry
𝑖6,5 0,6
Hmotnostní poměr vody v silné směsi 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 𝜉13 0,38 Hmotnostní poměr vody v slabé směsi 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 𝜉1 0,4473 Teplota chlazené vody na výstupu z výparníku 𝑇42 8 °C Teplota slabé směsi na výstupu z absorbéru 𝑇17 35 °C
Veškeré parametry, zmíněné v tabulce 1, představují základní požadavky na modelový cyklus a jsou určujícími veličinami, na kterých jsou závislé ostatní hodnoty v jednotlivých termodynamických stavech oběhu. Další vstupní parametry, které určují technologickou zvládnutelnost jednotlivých komponentů (jako například účinnosti turbíny nebo čerpadla, minimální teplotní rozdíl ve výměnících tepla apod.), budou představeny v následujících statích pro danou část oběhu.
Pro hlavní názorný výpočet byla zvolena teplota okolí 𝑇0 = 15 °𝐶, což odpovídá denním podmínkám pro přechodné roční období, či alternativně koresponduje s roční průměrnou teplotou vzduchu ve dne v regionu střední Evropy [45]. Jelikož jsou výpočty prováděny v jednotkách tlaků v barech, normální tlak vzduchu byl pro zjednodušení upraven z 1,01325 bar na hodnotu 𝑝0 = 1 𝑏𝑎𝑟.
Koncentrace silného roztoku, 62 % LiBr ve vodě (hmotnostní podíl vody 𝜉13= 0,38), byla určena na základě optimalizace absorpčního cyklu podle publikace od Herold et al. [46].
Koncentrace slabé směsi 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 (hmotnostní podíl vody 𝜉1 = 0,4473) je již závislou proměnnou a byla vypočítána na základě jednotlivých energetických a hmotnostních bilancí.
Pro prvotní výpočet modelu byl určen podíl hmotnosti páry ve větvi pro výrobu elektrické energie k celkové hmotnosti vodní páry 𝑖6,5 = 0,6:
29 𝑖6,5 = 𝑚̇6
𝑚̇5 (6.1.1)
𝑚̇5 − 𝑚̇6− 𝑚̇8 = 0 (6.1.2)
kde, 𝑚̇5 je hmotnostní tok proudu přitékajícího do uzlu a 𝑚̇6, 𝑚̇8 jsou hmotnostní toky proudů odtékajících do větve k výrobě elektrické energie (stav 6) a do větve k výrobě chladícího výkonu (stav 8). Rovnice (6.1.2) představuje aplikaci zákona zachování hmotnostního toku pro daný uzel (úprava rovnice (6.1)). Kombinací rovnic (6.1.1) a (6.1.2) dostaneme rovnici (6.1.3), což představuje vzájemný poměr hmotností v jednotlivých větvích označených počátečním stavem 6 a 8:
𝑚̇6
𝑚̇8 = 𝑖6,5
1 − 𝑖6,5 (6.1.3)
tento poměr je pro 𝑖6,5 = 0,6 rovný 2,5 : 1 (v angličtině označován jako „splitting ratio“).
6.2. Desorbér
Desorbér neboli generátor je kotel, ve kterém dochází k předávání tepla z nadřazeného cyklu do cyklu podřazeného. Působením tepla dochází k desorpci (uvolňování) chladiva navázaného na absorbent v několika etapách. Na obrázku 19 je Q-t diagram s teplotními profily ochlazovaného média MM a ohřívající se směsi 𝐿𝑖𝐵𝑟 − 𝐻2𝑂 měnící se s množstvím odevzdaného, respektive přijatého tepla podél výměníku.
Desorbér absorpčního cyklu je zároveň kondenzátorem pro nadřazený oběh ORC s médiem MM. Organické médium MM je v grafu na obrázku 19 značeno tmavě zelenou
21
23 22
2
3 34
4
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
0 20 40 60 80 100
T [°C]
Q [kW]
Q-t diagram přenosu tepla v desorbéru
MM
Slabá směs LiBr - H2O
Obrázek 19 Závislost teploty jednotlivých látek na množství přijatého/odevzdaného tepla v desorbéru.
